DSP课程设计任务书GPRMC.docx
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DSP课程设计任务书GPRMC
课程设计(论文)任务书
信息工程学 院 通信工程专 业09-1、2 班
一、课程设计(论文)题目基于DSP的GPRMC定位数据提取
二、课程设计(论文)工作自2012年6月11日起至2012年6月15日止。
三、课程设计(论文)地点:
图书馆、4教4-410。
四、课程设计(论文)内容要求:
1.本课程设计的目的
(1)使学生掌握NMEA-0183数据格式及理解GPS的基本工作原理;
(2)培养学生基本掌握DSP程序设计的基本思路和方法;
(3)使学生掌握DSP系统硬件调试;
(4)能提高和挖掘学生对所学习知识的实际应用能力及创新能力;
(5)提高学生的科技论文写作能力。
2.课程设计的任务及要求
1)基本要求:
(1)学习NMEA-0183数据格式及理解GPS的基本工作原理;
(2)熟悉DSP编程软件,熟练掌握异步串口传输方式;
(3)对GPRMC定位数据进行分析;
(4)提出系统软件的设计方案;
(5)对所设计软件进行硬件调试即在DSP系统实验箱实现GPRMC定位数据的提取;
2)创新要求:
在基本要求达到后,可进行创新设计,如改善异步串口传输程序或LCD显示程序使数据实现动态显示。
3)课程设计论文编写要求
(1)要按照书稿的规格打印誊写毕业论文
(2)论文包括目录、绪论、正文、小结、参考文献、谢辞、附录等
(3)毕业论文装订按学校的统一要求完成
4)答辩与评分标准:
(1)完成原理分析:
10分;
(2)完成设计过程:
40分;
(3)完成调试:
40分;
(4)回答问题:
10分;
5)参考文献:
(1)胡辉编著.《DSP应用技术》教育科学出版社
(2)邹彦编著.《DSP原理及应用》电子工艺出版社
(3)张雄伟等编著.《DSP集成开发与应用》电子工业出版社
(4)
(5)
6)课程设计进度安排:
内容天数 地点
构思及收集资料1 图书馆
编写程序与硬件调试2 实验室
撰写论文2 图书馆、实验室
学生签名:
2012年月日
课程设计(论文)评审意见
(1)完成原理分析(10分):
优( )、良( )、中( )、一般( )、差( );
(2)程序设计分析 (40分):
优( )、良( )、中( )、一般( )、差( );
(3)完成调试分析 (40分):
优( )、良( )、中( )、一般( )、差( );
(4)回答问题 (10分):
优( )、良( )、中( )、一般( )、差( );
(5)格式规范性及考勤是否降等级:
是( )、否( )
评阅人:
职称:
教授
2012年月日
绪论
GPS是英文GlobalPositioningSystem(全球定位系统)的简称。
GPS起始于1958年美国军方的一个项目,1964年投入使用。
20世纪70年代,美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS。
主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。
GPS功能必须具备GPS终端、传输网络和监控平台三个要素;这三个要素缺一不可;通过这三个要素,可以提供车辆定位、防盗、反劫、行驶路线监控及呼叫指挥等功能。
进入21世纪,全球定位系统(GPS)在各方面的应用都将加强和发展。
由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点,作为先进的测量手段和新的生产力,已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。
GPS卫星定位系统由三部分构成,一是地面控制部分,由主控站、地面天线、滥测站及通讯辅助系统组成。
二是空间部分,由24颗卫星组成,分布在6个轨道平面。
三是用户装置部分,由GPS接收机和卫星天线组成。
GPS有以下几个特点1.定位精度高
2.观测时间短3.测站间无需通视4.仪器操作简便5.可提供全球统一的三维地心坐标6.全球全天候定位7.应用广泛。
GPS的应用都是基于两个基本服务1.空间位置服务①.定位:
如汽车防盗、地面车辆跟踪和紧急救生。
②.导航:
如船舶远洋导航和进港引水、飞机航路引导和进场降落、智能交通、汽车自主导航及导弹制导。
③测量:
主要用于测量时间、速度、及大地测绘,如水下地形测量、地壳形变测量,大坝和大型建筑物变形监测及浮动车数据,利用GPS定期记录车辆的位置和速度信息。
从而计算道路的拥堵情况。
2、时间服务①系统同步:
如CDMA通信系统和电力系统②授时:
准确时间的授入、准确频率的授入。
随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展,美国政府宣布2000年至2006年期间,在保证美国国家安全不受威胁的前提下,取消SA政策,GPS民用信号精度在全球范围内得到改善,利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到10米,这将进一步推动GPS技术的应用,提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量,刺激GPS市场的增长。
第一章、GPS系统基本原理
1.1GPS系统介绍
GPS是英文GlobalPositioningSystem(全球定位系统)的简称。
GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。
要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。
而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距(PR):
当GPS卫星正常工作时,会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。
GPS系统使用的伪码一共有两种,分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。
C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒,码间距1微秒,相当于300m;P码频率10.23MHz,重复周期266.4天,码间距0.1微秒,相当于30m。
而Y码是在P码的基础上形成的,保密性能更佳。
导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。
它是从卫星信号中解调制出来,以50b/s调制在载频上发射的。
导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。
前三帧各10个字码;每三十秒重复一次,每小时更新一次。
后两帧共15000b。
导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块,其中最重要的则为星历数据。
当用户接受到导航电文时,提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离,再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置,用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。
可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。
然而,由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步,所以除了用户的三维坐标x、y、z外,还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数,然后用4个方程将这4个未知数解出来。
所以如果想知道接收机所处的位置,至少要能接收到4个卫星的信号。
GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息;用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历;用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历,精度为几米至几十米(各个卫星不同,随时变化);以及GPS系统信息,如卫星状况等。
GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离,由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差,故称为伪距。
对0A码测得的伪距称为UA码伪距,精度约为20米左右,对P码测得的伪距称为P码伪距,精度约为2米左右。
GPS接收机对收到的卫星信号,进行解码或采用其它技术,将调制在载波上的信息去掉后,就可以恢复载波。
严格而言,载波相位应被称为载波拍频相位,它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。
一般在接收机钟确定的历元时刻量测,保持对卫星信号的跟踪,就可记录下相位的变化值,但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的,起始历元的相位整数也是不知道的,即整周模糊度,只能在数据处理中作为参数解算。
相位观测值的精度高至毫米,但前提是解出整周模糊度,因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值,而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。
按定位方式,GPS定位分为单点定位和相对定位(差分定位)。
单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式,它只能采用伪距观测量,可用于车船等的概略导航定位。
相对定位(差分定位)是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法,它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量,大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。
在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差,在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响,在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱,因此定位精度将大大提高,双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分,在精度要求高,接收机间距离较远时(大气有明显差别),应选用双频接收机。
GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,采用空间距离后方交会的方法,确定待测点的位置。
如图所示,假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机,可以测定GPS信号到达接收机的时间△t,再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以上四个方程式)
GPS前景
由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点,作为先进的测量手段和新的生产力,已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。
随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展,美国政府宣布2000年至2006年期间,在保证美国国家安全不受威胁的前提下,取消SA政策,GPS民用信号精度在全球范围内得到改善,利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到10米,这将进一步推动GPS技术的应用,提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量,刺激GPS市场的增长。
据有关专家预测,在美国,单单是汽车GPS导航系统,2000年后的市场将达到30亿美元,而在中国,汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。
可见,GPS技术市场的应用前景非常可观。
1.2NMEA-0183数据格式
NMEA0183是美国国家海洋电子协会(NationalMarineElectronicsAssociation)为海用电子设备制定的标准格式。
目前业已成了GPS导航设备统一的RTCM(RadioTechnicalCommissionforMaritimeservices)标准协议。
它包括七种数据格式,如下表所示:
在本次课程设计中我们要做的是基于DSP的GPRMC定位数据提取,所以在这里我们只详细介绍GPRMC的数据结构。
$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*<13>
字段0:
$GPRMC,语句ID,表明该语句为RecommendedMinimumSpecificGPS/TRANSITData(RMC)推荐最小定位信息
<1>UTC(CoordinatedUniversalTime)时间,hhmmss(时分秒)格式
<2>定位状态,A=有效定位,V=无效定位
<3>Latitude,纬度ddmm.mmmm(度分)格式(前导位数不足则补0)
<4>纬度半球N(北半球)或S(南半球)
<5>Longitude,经度dddmm.mmmm(度分)格式(前导位数不足则补0)
<6>经度半球E(东经)或W(西经)
<7>地面速率(000.0~999.9节,Knot,前导位数不足则补0)
<8>地面航向(000.0~359.9度,以真北为参考基准,前导位数不足则补0)
<9>UTC日期,ddmmyy(日月年)格式
<10>MagneticVariation,磁偏角(000.0~180.0度,前导位数不足则补0)
<11>Declination,磁偏角方向,E(东)或W(西)
<12>ModeIndicator,模式指示(仅NMEA01833.00版本输出,A=自主定位,D=差分,E=估算,N=数据无效)
<13>校验和。
1.3定位数据的接收与提取
定位信息的接收
通常GPS定位信息接收系统主要由GPS接收天线、变频器、信号通道、微处理器、存储器以及电源等部分组成。
由于GPS定位信息内容较少,因此多用RS-232串口将定位信息(NEMA0183语句)从GPS接收机传送到计算机中进行信息提取处理。
从串口读取数据有多种方法,在此直接使用Win32API函数对其进行编程处理。
在Windows下不允许直接对硬件端口进行控制操作,所有的端口均被视为"文件",因此在对串口进行侦听之前需要通过打开文件来打开串口,并对其进行相关参数配置。
在成功打开并设置通讯口后,可采取轮询串口和事件触发两种方式对数据进行接收处理,本文在此采取效率比较高的事件触发方式进行接收处理,通过等待EV_RXCHAR事件的发生来启动ReadFile函数完成对GPS定位信息的接收。
定位信息的提取
GPS接收机只要处于工作状态就会源源不断地把接收并计算出的GPS导航定位信息通过串口传送到计算机中。
前面的代码只负责从串口接收数据并将其放置于缓存,在没有进一步处理之前缓存中是一长串字节流,这些信息在没有经过分类提取之前是无法加以利用的。
因此,必须通过程序将各个字段的信息从缓存字节流中提取出来,将其转化成有实际意义的,可供高层决策使用的定位信息数据。
同其他通讯协议类似,对GPS进行信息提取必须首先明确其帧结构,然后才能根据其结构完成对各定位信息的提取。
对于本文所使用的GARMINGPS天线板,其发送到计算机的数据主要由帧头、帧尾和帧内数据组成,根据数据帧的不同,帧头也不相同,主要有"$GPGGA"、"$GPGSA"、"$GPGSV"以及"$GPRMC"等。
这些帧头标识了后续帧内数据的组成结构,各帧均以回车符和换行符作为帧尾标识一帧的结束。
对于通常的情况,我们所关心的定位数据如经纬度、速度、时间等均可以从"$GPRMC"帧中获取得到,该帧的结构及各字段释义如上。
至于其他几种帧格式,除了特殊用途外,平时并不常用,虽然接收机也在源源不断地向主机发送各种数据帧,但在处理时一般先通过对帧头的判断而只对"$GPRMC"帧进行数据的提取处理。
如果情况特殊,需要从其他帧获取数据,处理方法与之也是完全类似的。
由于帧内各数据段由逗号分割,因此在处理缓存数据时一般是通过搜寻ASCII码"$"来判断是否是帧头,在对帧头的类别进行识别后再通过对所经历逗号个数的计数来判断出当前正在处理的是哪一种定位导航参数,并作出相应的处理。
我们通过代码将所需信息提取到内存,即时间、日期以及经纬度分别保存在CString型变量m_sTime、m_Data、m_sPositionY和m_sPositionX中。
在实际应用中往往要根据需要对其做进一步的运算处理。
GPS使用的WGS-84坐标系与我国采用的坐标系不同,有时也要对此加以变换。
而这些变换运算必须通过数值运算完成,因此需要将前面获取的字符型变量转化为数值型变量,这部分工作可放在检测到帧尾完成。
至此,已将时间和经纬度信息提取到GPS结构数组GPSParam中的各个变量中去,后续的处理和高层决策可根据该结构中存储的数据作出相应的处理。
第二章、系统总体设计
2.1DSP简介
DSP(digitalsignalprocessor)是一种独特的微处理器,是以数字信号来处理大量信息的器件。
其工作原理是接收模拟信号,转换为0或1的数字信号。
再对数字信号进行修改、删除、强化,并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。
它不仅具有可编程性,而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序,远远超过通用微处理器,是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。
它的强大数据处理能力和高运行速度,是最值得称道的两大特色。
DSP微处理器(芯片)一般具有如下主要特点:
(1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法;
(2)程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据;
(3)片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问;
(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持;
(5)快速的中断处理和硬件I/O支持;
(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器;
(7)可以并行执行多个操作;
(8)支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
当然,与通用微处理器相比,DSP微处理器(芯片)的其他通用功能相对较弱些。
DSP有以下优点:
对元件值的容限不敏感,受温度、环境等外部因素影响小;容易实现集成;VLSI可以分时复用,共享处理器;方便调整处理器的系数实现自适应滤波;可实现模拟处理不能实现的功能:
线性相位、多抽样率处理、级联、易于存储等;可用于频率非常低的信号。
DSP缺点:
需要模数转换;受采样频率的限制,处理频率范围有限;数字系统由耗电的有源器件构成,没有无源设备可靠。
2.2异步串口传输方式
串行端口的本质功能是作为CPU和串行设备问的编码转换器。
在发送数据时,字节数据转换为串行的位。
在接收数据时,串行的位被转换为字节数据。
串口通信可用两种方法实现。
一种是应用微软提供的简化Windows下串行通信编程Active控件MSComm,通过传新口传输与接收数据,为应用程序提供串行通信功能。
改控件在串口编程时非常方便,编程者不必花时间了解较为复杂的API函数。
另外一种方法是调用Win32API通信函数,通过多线程完成对串口的参数设置,开启串口监测工作线程等具体串口的设计安排,完成串口的通信和使用。
异步串行是指UART(UniversalAsynchronousReceiver /Transmitter),通用异步接收/发送。
UART是一个并行输入成为串行输出的芯片,通常集成在主板上。
UART包含TTL电平的串口和RS232电平的串口。
TTL电平是3.3V的,而RS232是负逻辑电平,它定义+5~+12V为低电平,而-12~-5V为高电平,MDS2710、MDSSD4、EL805等是RS232接口,EL806有TTL接口,节点通是串行通信行家。
异步串口通信协议作为UART的一种,工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。
下图显示的是起止式一帧数据的格式:
异步通信的信息格式如下边的表所示
起止式异步通信的特点是:
一个字符一个字符地传输,每个字符一位一位地传输,并且传输一个字符时,总是以“起始位”开始,以“停止位”结束,字符之间没有固定的时间间隔要求。
每一个字符的前面都有一位起始位(低电平,逻辑值),字符本身由5-7位数据位组成,接着字符后面是一位校验位(也可以没有校验位),最后是一位或一位半或二位停止位,停止位后面是不定长的空闲位。
停止位和空闲位都规定为高电平(逻辑值1),这样就保证起始位开始处一定有一个下跳
异步通信的发送过程:
发送端以“发送时钟”和“波特率因子”决定一位的时间长度。
1.当初始化后,或者没有信息需要发送时,发送端输出逻辑1,即空闲位,空闲位可以有任意数量
2.当需要发送时,发送端首先输出逻辑0,作为起始位。
3.接着,发送端首先发送D0位,直到各数据位发送完。
4.如果需要的话,发送端输出校验位。
5.最后,发送端输出停止位(逻辑1)。
6.如果没有信息需要发送时,发送端输出逻辑1,即空闲位,空闲位可以有任意数量。
如果还有信息需要发送,转入第
(2)步。
异步通信的接受过程:
接收端以“接收时钟”和“波特率因子”决定一位的时间长度。
下面以波特率因子等于16(接收时钟每16个时钟周期,使接收移位寄存器移位一次)、正逻辑为例说明,如下图所示。
(1)开始通信时,信号线为空闲(逻辑1),当检测到由1到0的跳变时,开始对“接收时钟”计数。
(2)当计到8个时钟时,对输入信号进行检测,若仍为低电平,则确认这是“起始位”B,而不是干扰信号。
(3)接收端检测到起始位后,隔16个接收时钟,对输入信号检测一次,把对应的值作为D0位数据。
若为逻辑1,作为数据位1;若为逻辑0,作为数据位0。
(4)再隔16个接收时钟,对输入信号检测一次,把对应的值作为D1位数据。
….,直到全部数据位都输入。
(5)检测校验位P(如果有的话)。
(6)接收到规定的数据位个数和校验位后,通信接口电路希望收到停止位S(逻辑1),若此时未收到逻辑1,说明出现了错误,在状态寄存器中置“帧错误”标志。
若没有错误,对全部数据位进行奇偶校验,无校验错时,把数据位从移位寄存器中送数据输入寄存器。
若校验错,在状态寄存器中置奇偶错标志。
(7)本幀信息全部接收完,把线路上出现的高电平作为空闲位。
(8)当信号再次变为低时,开始进入下一幀的检测。
对于以上发送、接收过程应注意以下几点
(1)接收端总是在每个字符的头部(即起始位)进行一次重新定位,因此发送端可以在字符之间插入不等长的空闲位,不影响接收端的接收。
(2)发送端的发送时钟和接收端的接收时钟,其频率允许有一定差异,当频率差异在一定范围内,不会引起接收端检测错位,能够正确接收。
并且这种频率差异不会因多个字符的连续接收而造成误差累计(因为每个字符的开始(起始位处)接收方均重新定位)。
只有当发送时钟和接收时钟频率差异太大,引起接收端采样错位,才造成接收错误。
(3)起始位、校验位、停止位、空闲位的信号,由“发送移位寄存器”自动插入。
在接收方,“接收移位寄存器”接收到一帧完整信息(起始、数据、校验、停止)后,仅把数据的各位送至“数据输入寄存器”,即CPU从“数据输入寄存器”中读得的信息,只是有效数字,不包含起始位、校验位、停止位信息。
2.3LCD显示
12864液晶显示屏是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多,且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
在硬件电路中,利用74LS245驱动芯片来选择单片机与LCD之间的数据传输方向。
下面简单介绍一下74LS245的工作方式
引出端符号意义如下表:
控制/G和DIR两引脚电平,可实现数据传送方向的控制,功能如下表:
在开发板中,芯片的A端与单片机引脚相连,B端与LCD引脚相连,G、DIR分别与单片机上两IO引脚相连。
LCD的引脚如上图2.4:
按下图2.5示意图接线。
由于模块内部接有上电复位电路,因此在不需要经常复位的场合可将PIN17悬空。
由上图可知,单片机P54、P55控制数据传输方向,P60~P67用来发送指令、数据及接收数据,P20、P23、P24用来配合控制读写数据或指令
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